空分空压压缩机防喘振控制系统

晁龙

摘 要：空分压缩机的防喘振控制逻辑运用就是控制系统和逻辑点之间相互合作应用。空分压缩机防喘振体系，是靠Honey11TPS系统DCS本身领先的智能控制方法，还有多重剩余和容错方式来完成的。单体设施包括空压机、中压压缩机、膨胀透平机、氮压机四种设施。由增压压缩机与膨胀机两部分组成，它是由美国ACD公司产的新的压缩设备，主要用处是将增压压缩后的空气经过膨胀，消减能量使空气降温。本文主要讲述膨胀透平机系统的核心控制--防喘振控制。

关键词：空分;空压;防喘振控制

1 防喘振控制

1.1 原理

当流经增压压缩机的流量比最小值还要小时（出口压力和进口压力之比），会导致部分或全部气体回流的现象，机器轴承所遭受的应力会增大，温度加大，这种行为称为“喘振”，喘振会对设施造成破坏，严重的会造成巨大事故。对应的压缩机机器有着对应的参数，防喘振基本理论就是在设施动态运作中通过控制让设备运作状态避开喘振曲线。

1.2 控制的实现

1.2.1 流量控制

当压缩机主动进入防喘振保护控制，让他完全开启。为了阻止增压端的流量突然抵达喘振流量而破坏设备，我们画了一条和喘振曲线不相交的防喘振控制线，当流量抵达控制线时，调节器自己调整旁通阀的开度，减小设备喘振的几率。

1.2.2 数学模型的建立

由喘振试验得到压力与吸入流量关联曲线，取里面两端点坐标（x1，y1），（x2，y2）当做固定点，得到相应的数值，由函数式Y=aX+b得到a、b值，就可以画出喘振曲线。

当流量小于控制线对应数，且未到喘振区，旁通阀调节器会自主调整阀门的大小;当流量抵达工作区时，旁通阀调节器自主调整并渐渐关小。

1.2.3 入口导叶和旁通阀的调整

经由串级回路完成手/自动调节，并实施了阀位定位。膨胀透平系统的防喘振就是经由控制入口导叶大小、旁通阀开度，从而调整压缩机的进口流量同压比来完成的。

2 压缩机产生喘振的原因

每个类型压缩机都有它本身的工作特征曲线，就连一台压缩机。可知：在一定转速下随流量的改变，出口压力有一个最大值Pa，对应的进口流量Qa，正常运作时Q>Qa，随着Q的下降，出口压力同步上升，当Q继续下降，使得Q

当入口流量很小时，气流边界层的离开将扩展到全部气流的通道，以导致叶道中气流禁止通过，无气体排出。此时，压缩机的排出压力就会突然减轻，而与它出口相接的管网体系内尚存在较高压力的气体，就会倒回到叶轮中;在那期间，倒回的气体补充了叶轮内气量的不足;而使得叶轮重新正常工作，升回压力，再次把流进来的气体压出去。于是，出口压力和出口流量的剧烈动荡，即是一种互相变化的应力施加在压缩机上，导致机器和管道振动，叶轮与叶片应力加大，并同时有吼叫噪声，这种现象称之为压缩机的喘振，有资料又叫做为脉动或飞动。这时工作点被叫做为喘振点。当管网系统压力高于压缩机在此转速下能具备的出口压力的话，也会产生喘振。喘振引发机身的振动，有可能破坏压缩机部件，尤其是对轴承和轴密封破坏更加严重。密封不好会使轮滑油到了流道，降低冷却器和冷却效率。可能引起转子转向串动，破坏轴瓦或打碎叶轮。在非常严重的情况下，将出现飞车。所以，喘振是一种相当危险的现象，操作与系统设计时都必须多加小心。压缩机决不能在喘振时候下运作。引起入了口流量的减少主要缘由是操作不当，入口管道拥堵或工段未补气等因素。

2.1 防止喘振发生

压缩机在运作中，当管路系统阻力变大时，流量会随之变少，有可能减小到允许值以下。防喘振系统流量过低会自主地将通大气的放空阀或流回到进口的旁通阀打开，加大经过空压机的流量，阻止进入喘振区。取流量安全下限当做调节器的规定值。当流量很大时，放空阀关闭，当测量值小于规定值时，调节器放出信号，将放空阀开开，使流量变多。压缩机工作效率高，在正常情况条件下运作平稳，对其所输出介质的压力、流量、温度改变的敏感性相对较大，容易发生喘振导致严重事故。所以应全力阻止压缩机到达喘振工况。根据离心压缩机在不同情况条件下的变化曲线，只要我们将压缩机的最低流量控制在工作区（控制线内），压缩机即可良好工作。所以需要有一个阻止压缩机发生喘振的控制系统，阻止压缩机的流量不会减小到这种工况下的最小允许值。即不会使压缩机到达喘振工况区域内。

2.2 喘振区域的确定

管网特性曲线，两条曲线的交点是压缩机的工作点，工作点的横坐标是气体流量，纵坐标是实际排气压力。

3 压缩机防喘振系统控制方案的确定

3.1 防喘振控制系统

通常把压缩机的管道、容器等全套设施，包括进、排气管线，称为管网。压缩机入口气体压力为风，通过压缩机增压至肌，通过管道排出，压力降低到肌。压缩机的输气量GD和管网的流量GR相等，或者说压缩机的排气压力等于管网的入口压力肌，压缩机和管网才能稳定运行，即GD=GR或PD=PR。管网的特征曲线和压缩机的特征曲线的交点正好能满足这个要求，这就是压缩机和管网的联合运行点。

要阻止压缩机喘振，只要求时工作转速下的吸入流量高于喘振点的流量Qp就可以了。所以，当所需的流量低于喘振点的流量时，如生产负荷降低时，需要将出口的流量它路返回到进口，或将部分出口介质放空，以扩大入口流量。满足高于喘振点流量的调整要求最基本的控制方式是最低流量极限控制误差长期存在，存在积分满足问题。

3.2 单回路控制系统

纵使在计算机控制获取高速发展的今天，单回路控制系统仍在非常多的应用。据统计，在一个年产30万t合成氨的现代化大型设备中，大约有85%的控制体系是单回路控制系统。所以，掌握单回路控制系统的设计原理应用对于实现过程装置的自主性具有十分重要的意义。单回路控制系统的特征是结构容易，投资小，便于调节，运输，单回路控制体系一般由被控流程WO（s）、测量变送器Wm（s）、调节器Wc（s）和调节阀Wv（s）等过程组成。

3.3 被控变量的选择

在一个生产流程中，可能有改变波动的工艺变量很多，一个化工厂的操作调整大体上可以分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品品质或成分控制、限制条件或软限保护的控制。因而在进行自动控制系统设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和品质或者人工操作太频繁、紧张，难以满足工艺需求的工艺变量，作为被控变量来调整自动控制系统。这里提出几个被控变量选择的基本原则：①其信号最好可以直接测量获取，并且测量和变送环节的落后也要比较少;②若其信号不能直接获得，可选择则与之有单值函数关联的间接参数当做被控变量;③必须是独立的变量。变量的个数一般可以用物理化学中的规律来确定;④必须保证工艺合理性，以及目前儀表的现状被否满足要求。

综上所述，同时也是关联到控制方案成败的要点是选对被控变量。如果被控变量选择错误，则不管构成什么形式的控制体系，也不管设备多么精良的自动化设施，都不能达到预期的控制效果。

3.4 操作变量的选择

在生产流程中，工艺变量的设计值是由一定的生产负荷、原料组成、工艺变量恰好在设计值上通常都能得到巨大的经济利润。然而由于多重外部的和内在的原因，对工艺过程的完好运转肯定存在着干扰，因而在进行自主控制体系设计时一定深入研究工艺过程，认真分析干扰发生的缘由，建立一个恰好的控制系统，以保证生产过程的稳定操作。

4 结束语

防喘振系统时时发挥着必要作用，既保护了设施，又保证了生产运作的安全实施，此项技术在同类设施控制中有很好的推广价值。

参考文献：

[1]章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，1999.

[2]田瑞庭.可编程序控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社，1994.